B.P. 62, Route de l Observatoire, Bouzaréah, Alger, Algérie 2 Institut de Chimie Industrielle, Université Saad Dahlab,

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1 Revue des Energies Renouvelables ICRESD-07 Tlemcen (2007) Biométhanisation des eaux usées pour la production de l énergie renouvelable et la protection de l environnement - Etude d effet et analyse statistique des données B. Cheknane 1*, S. Igoud 1, F. Zermane 3 et F. Souahi 2 1 Division Bioénergie et Environnement, Centre de Développement des Energies Renouvelables, B.P. 62, Route de l Observatoire, Bouzaréah, Alger, Algérie 2 Institut de Chimie Industrielle, Université Saad Dahlab, B.P. 270, Route de Soumaâ, Blida, Algérie 3 Ecole Nationale Polytechnique, Rue Hassen Badi, El Harrach, Alger. Résumé - Parmi les méthodes de traitement et de valorisation énergétique des déchets, la biométhanisation est de plus en plus utilisée pour la dégradation de tous les déchets organiques, biodégradables et humides. Le but de notre travail consiste à l étude d effets des principaux paramètres sur la biométhanisation de 440 kilogrammes de bouses de vaches qui simulent une eau usée chargée en matières organiques biodégradables, et qu il donnent également l axe prioritaire par la combinaison des niveaux de facteurs susceptibles pour optimiser l'exécution du système. A cet effet, il est important de répertorier les deux principaux paramètres intervenant sur la biométhanisation, à savoir: le cycle de la biométhanisation (0-76 jours), et le taux de dilution avec une masse de bouse qui sera considérée constante durant toute cette étude. Les réponses étudiées sont évidement la demande biologique en oxygène (DBO 5 ), La demande chimique en oxygène (DCO) et le volume total du biogaz produit ( V b ). La méthode de conception expérimentale basée sur un modèle linéaire de premier ordre avec interactions est employée. Ce modèle présente l'effet des différents facteurs d entrer sur les réponses choisies (DBO, DCO, V b ). Les meilleurs résultats expérimentaux de dépollution sont obtenus en fin du cycle (entre 71 et 76 jours) avec un taux de DBO 5 =71,43 % et un taux de DCO = 84 %. Le volume du biogaz produit est évalué à 26,898 m 3. Ce qui montre la bonne concordance avec les résultats prévus théoriquement (modèle). Mots clés: Biométhanisation, - Dépollution, - DBO 5, - DCO, - Biogaz - Plan d expériences. 1. INTRODUCTION Le développement des plans d expériences s avère ces dernières années d un intérêt certain dans la mesure où ils permettent d hiérarchiser de façon chiffrée l influence relative des différents facteurs sur la réponse étudiée et d identifier les axes prioritaires par la combinaison des niveaux des facteurs susceptibles d optimiser les performances du système [1, 2]. Dans le présent travail, on se propose de développer une stratégie expérimentale d optimisation, en se basant sur les résultats de la biométhanisation de bouses de vaches. Etant donné la complexité du système étudié on a fait appelle à l outil informatique entre autre les plans d expériences MODDE 6 [3, 4], qui ne sont pas une série d essais au hasard, ni sélectionner par la seule intuition, mais une stratégie optimale permettant de prédire avec le maximum de précision, une réponse à partir d un nombre minimal d essais et en utilisant un modèle postulé. 2. METHODOLOGIES DE LA PLANIFICATION EXPERIMENTALE L objectif est d élaborer un modèle mathématique, qui simule la biométhanisation de bouses de vaches, en fonction des différents facteurs déjà fixés. Les réponses étudiées sont donc la * ocheknane@yahoo.fr 91

2 92 B. Cheknane et al. demande chimique en oxygène (DCO), la demande biologique en oxygène (DBO5) et le volume total du biogaz produit ( V b ). Les facteurs à varier sont: le cycle de la biométhanisation, et le taux de dilution. Le domaine expérimental se situe comme suit: le cycle de la biométhanisation en jours: [0-76 jours] le taux de dilution: [0-30 %]. Pour chaque réponse, le modèle postulé est un modèle du premier degré avec interaction. En coordonnées centrées réduites (CCR), il s écrit: y = a0 + a1 x1 + a 2 + c1 x1 avec: y : la réponse étudiée; x 1 : le cycle de la biométhanisation; : le taux de dilution. Après avoir introduit les intervalles de chacun des différents facteurs et les deux réponses dans le logiciel MODDE 6 [3], on aboutira à la matrice d expérience en cordonnées centrées réduites (CCR) donnée dans le Tableau 1. Tableau 1: Matrice d expérience des résultats de la biométhanisation de bouses de vaches Essais Facteurs Réponse CBM TD DCO DBO 5 V b ,8 3-0,63 1 3, , ,87 5-0, , , , , , Niveau - 14 jours 0% Niveau + 76 jours 30% CBM: Cycle de la biométhanisation (jours); TD: Taux de dilution (%); DBO 5 : Demande biologique en oxygène; DCO: Demande chimique en oxygène; V b : Volume de biogaz produit 3. EXPLOITATION DES MODELES Les modèles empiriques obtenus permettent de décrire et de prédire l évolution de chacune de ces réponses, en fonction des facteurs retenus [5], et de déterminer l influence de ces derniers. Cela permettra de cerner avec précision, l évolution de la DCO et de la DBO 5 en fonction des différents facteurs. Les modèles postulés pour chacun des paramètres étudiés sont des modèles linéaires de premier ordre avec interactions. Les formules développées des modèles retenus, s écrivent comme suit: y1 = 43, ,79 x1 4,89 3,28x1 y 2 = 23, ,50 x1 + 8, x1 y3 = 16, ,51x1 + 1,05 1,67 x1

3 ICRESD 2007: Biométhanisation des eaux usées pour la production de l énergie 93 avec: y 1 : Demande biologique en oxygène DBO 5 ; y 2 : Demande chimique en oxygène DCO; y 3 : Volume de biogaz produit; x 1 : Cycle de la biométhanisation (jours); : Taux de dilution (%); 2 R : Coefficient d ajustement; 2 Q : Coefficient de prédictions. Au regard, de l équation du modèle de l évolution du DBO 5 en fonction des facteurs précités, on remarque que les effets des facteurs sont plus importants par rapport aux interactions, car les valeurs des coefficients des interactions sont plus faibles que celles des facteurs seuls, d autre part on constate que les facteurs entre eux présentent des effets différents, l effet du cycle de la biométhanisation (facteur 1) est plus grand que celui de l effet du taux de dilution (facteur 2) avec une influence positive. L équation du deuxième modèle qui donne l évolution de la demande chimique en oxygène DCO en fonction des deux facteurs, nous a permis de distinguer l effet positifs des deux facteurs CBM et TD et leurs prédominances par rapport à l effet de l interaction. Les mêmes constatations ont été observées pour le troisième modèle. 2 2 Les valeurs significatives des coefficients d ajustement de R et Q, montrent que les deux modèles obtenus sont représentatifs de point de vue ajustement et prédiction. L histogramme suivant illustre les valeurs des ces coefficients, (Fig. 1). Fig. 1: Histogramme des valeurs 2 2 R et Q des deux modèles En vue de cet histogramme, une reproductibilité est observée pour les deux réponses. Pour mieux voir le degré d importance de ces facteurs, ainsi que leurs interactions, on trace à l aide de logiciel MODDE 6, l histogramme de la figure 2, qui représente l effet du cycle de la biométhanisation et du taux de dilution, sur les trois réponses choisies (DBO 5, DCO et V ). b Fig. 2: Histogramme d effet des facteurs sur le rendement Sur cette figure, on observe que l effet du cycle de la biométhanisation est positif. Par contre, l effet du taux de dilution et l interaction des deux facteurs (CBM TD) sont négatifs.

4 94 B. Cheknane et al. Les courbes d iso-réponses par intervalle des deux réponses sont illustrées par la figure 3. Ces iso-réponses permettent de visualiser l évolution de la DBO 5, la DCO et le V b en fonction des deux facteurs à la fois et sur toute la plage expérimentale. On peut ainsi tirer directement à partir de ces graphiques, la valeur estimée du paramètre désiré, à n importe quel point du domaine d étude. a- DBO 5 b- V b c- DCO Fig. 3: Courbes d iso-réponses de: a) DBO 5, b) V b, et c) DCO Les graphes de la figure 3-a- et 3-b- font apparaître des zones d efficacité prononcée pour la DBO 5 et le V b, à des cycles de biométhanisation élevés et des taux de dilution variant de 0 à 15 % pour la DBO 5 et de 0 à 30 % pour le volume de biogaz produit ( V b ). Au fur et mesure que le cycle de biométhanisation diminue les valeurs de V b, ainsi que les rendements sur le DBO 5 diminuent quelque soit le taux de dilution, ce qui reste en bon accord avec les résultats trouvés expérimentalement. En ce qui concerne la DCO, une petite fenêtre optimale apparaît à une valeur de CBM = 76 jours et des taux de dilution allant de 25 à 30 %, ce qui confirme nos résultats expérimentaux. 4. CONCLUSION L application de la méthode des plans d expérience pour optimiser les paramètres influençant la biométhanisation de bouses de vaches qui simulent une eau usée chargée en matières organiques biodégradables, nous a permis de tirer les conclusions suivantes:

5 ICRESD 2007: Biométhanisation des eaux usées pour la production de l énergie 95 Les modèles caractéristiques dégagés, de chacune de réponse (DBO 5, DCO et modèles linéaires de premier ordre avec interactions. V b ) sont des L étude d effet de chacun de facteurs sur les trois réponses choisies montre que le cycle de biométhanisation (CBM) présente le facteur prépondérant pour les trois réponses. En effet, les meilleurs résultats expérimentaux de dépollution sont obtenus en fin du cycle (entre 71 et 76 jours) avec un taux de DBO 5 = 71,43 % et un taux de DCO = 84 %. Le volume du biogaz produit est évalué à 26,898 m 3. Ce qui montre la bonne concordance avec les résultats prévus théoriquement (modèle). REFERENCES [1] M.W. Naceur, B. Cheknane, M. Pontie, H. Moussaoui and F. Zermane, Application of the Experimental Design Method to the Study of Sea Water Flocculation Coagulation Performance, the 6 th European Meeting on Environmental Chemistry, EMEC6, Belgrade, December 6-10, [2] F. Zermane, B. Cheknane, M.W. Naceur, Optimisation par les Plans d Expérience, des Conditions Opératoires d un Procédé d Adsorption des Matières Organiques de l Eau de Mer Synthétique sur une Argile Pontée, 2 ème Séminaire National sur l Eau et l Environnement, SN2E, Béchar, Novembre [3] Logiciel MODDE 6, Design of Experiments and Optimization, Version 6, May 15, 2001, Umetric, [4] J.P. Olivier, J.P. Vidal et R. Strobel, Surveillance du Plomb Particulaire Atmosphérique, Pollution Atmosphérique, Vol. 30, N 3, pp , [5] A. Martinez, A.S. Uribe, F.R. Carrillo, J.A. Coreno and J.C. Ortiz, Study of Celestite Flotation Efficiency using Sodium Dodecyl Sulfonate Collector: Factorial Experiment and Statistical Analysis of Data, Miner. Process, Vol. 70, pp , 2003.